DE3328907A1

DE3328907A1 - Anregeschaltung fuer piezoelektrische schallgeber

Info

Publication number: DE3328907A1
Application number: DE19833328907
Authority: DE
Inventors: Richard Dipl.-Ing. Angerer (FH), 8024 Oberhaching
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1983-08-10
Filing date: 1983-08-10
Publication date: 1985-02-28
Also published as: US4736192A; EP0133570B1; ATE52205T1; DK384884A; JPS6055399A; EP0133570A2; EP0133570A3; DK164950C; JPH0472239B2; DK164950B; DK384884D0; DE3482032D1

Description

Anreqeschaltunq für piezoelektrische Schallgeber.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anregeschaltung, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben ist.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, zur Schwingungsanregung eines piezoelektrischen Schallgebers, der insbesondere für Ultraschall-Abstandsmessung verwendet wird, eine Anregeschaltung zu verwenden, wie sie in Fig.1 angegeben ist. In Reihe mit den Anschlüssen 2 und 3 für die Stromversorgung liegen der piezoelektrische Schallgeber 1 und ein strombegrenzender Widerstand 4. Sobald zwischen den Anschlüssen 2 und 3 eine elektrische Spannung anliegt, lädt sich die elektrische Kapazität des Schallgebers 1 maximal auf diese Spannung auf. Erfolgt ein Kurzschluss bezüglich des Schallgebers 1 mit Hilfe des Schalters 5, der von einer Steuereinrichtung 6 betätigt wird, bricht die am Schallgeber 1 anliegende elektrische Spannung schlagartig zusammen. Dies ist eine elektrische Wechselspannungsanregung für den Schallgeber 1, der dadurch zu Schwingungen angeregt wird. Angeregt wird nicht nur die Schwingung mit der Frequenz der Grundwellenresonanz des Schallgebers 1, sondern auch andere Schwingungsmoden werden angeregt. Dies ist ein Machteil dieser bekannten Schaltung. Ein weiterer Machteil ist, daß relativ hohe elektrische Spannung zwischen den Anschlüssen 2 und 3 anzulegen ist.

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Eine in möglichst nur einem Schwingungsmode erfolgende Schwingungsanregung eines piezoelektrischen Schallgebers läßt sich dadurch erreichen, daß eine bezüglich ihrer Frequenz auf die entsprechende Resonanzfrequenz des Schallgebers abgestimmte elektrische Wechselspannung an die Anschlußelektroden eines piezoelektrischen Schallgebers (wie er mit 1 in Fig.1 bezeichnet ist) angelegt wird. Machteilig ist bwei einer solchen Betriebsweise, daß erheblicher Aufwand bezüglich einer Frequenzübereinstimmung zwischen Schallgeber und speise nder Wechselspannungsquelle erforderlich ist.

Es ist sine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine möglichst einfache Anregeschaltung anzugeben, mit der ein piezoelektrischer Schallgeber in möglichst nur einem Schwingungsmode anzuregen bzw. zu betreiben ist.

Diese Aufgabe wird mit einer Anregeschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß mit Hilfe der Werkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin dung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde die eigentliche Spannungsversorgungsquelle mit abgestimmter Frequenz in die erfindungsgemäße Anregeschaltung zu verlegen. Es wird hierzu lediglich eine Induktivität benötigt die zwischen den Anschlüssen 2 und 3 in Reihe zu der Parallelschaltung liegt, die aus Schallwandler und Element mit Schalterfunktion besteht.

Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden, anhand der Figuren gegebenen Beschreibung her-

vor. Es zeigen:

Fig.1 eine bekannte Schaltung,

Fig.2 eine erfindungsgemäße Schaltung,

Fig.3 Weiterbildungen einer erfindungsgemäßen Schalbis 5 tung und

Fig.6 die Schaltung eines Zusatzes zu einer erfindungsgemäßen Schaltung.

Fig.2 zeigt mit 14 bezeichnet diese Induktivität zusammen mit zur Fig.1 bereits beschriebenen,Elementen.

Zur Erläuterung der Betriebsweise und Funktion der Anregeschaltung nach Fig.2 sei davon ausgegangen, daß die 7ersorgungsspannung an den Anschlüssen 2 und 3 bereits anliegt. Der Schalter 5 ist geschlossen. Durch die Induktivität 14 und über den geschlossenen Schalter 5 fließt ein elektrischer Strom I. Sobald jetzt der Schalter 5, gesteuert durch die Funktion des Elementes 6, geöffnet wird, tritt eine extrem große Stromänderung in der Induktivität 14 auf, die zum Entstehen einer hohen elektrischen Spannung am Schalter 5 und damit am Schallgeber 1 führt.

Da jedoch die Resonanzfrequenz des Reihenschwingkreises, bestehend aus Schallgeber 1 und Innduktivität 14, und zwar insbesondere durch entsprechende Bemessung dieser Induktivität 14, so gewählt ist, daß sie mit der ausgewählten mechanischen Resonanzfrequenz des Schallgebers übereinstimmt, erfolgt eine Resonanzfrequenzanregung des Schallgebers 1. Der Schallgeber erhält seine elektrische Anregung praktisch nur auf dieser ausgewählten Resonanzfrequenz, was dazu führt, daß unerwünschte Mebenschwingungsmoden vermieden sind.

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Die bei Öffnen des Schalters 5 an den Anschlüssen des Schallgebers 1 auftretende maximale elektrische Spannung hat eine gegenüber der Versorgungsspannung, die an den Anschlüssen 2 und 3 anliegt, erhebliche Spannungsüberhöhung.
Prinzipiell gelten für die Erfindung die nachfolgenden physikalischen Beziehungen:

Kt) = 1/L ( ü_L(t) dt T^ U»T/L (1)

^β
W = 1/2 ·. L · I² = 1/2 χ U²»T²/L (?.)

U_c = I '7L/C (3)

u_c = u/R_L-yL/c (4)

U/U = 2 * IT » f » L/R_T (5)

C Li

U_c/U - 1/ u?₀ · R_L - C₀ (7)

Darin sind:

I(t) der zeitabhängige Stromwert, L der Wert der Induktivität 14,

U^(t) die am Schalter 5 zeitabhängig auftretende überhöhte Spannung,

T die Zeitdauer bzw. Schließzeit, W die in der Induktivität 14 gespeicherte Energie,

C der elektrische Kapazitätswert des Schallgebers 1, "

Up die am Schallgeber 1 anliegende elektrische

Spannung bei geschlossenem Schalter 5, R, ohrasher Widerstand der Induktivität 14, f die anzuregende Resonanzfrequenz.

Das Element 6 kann ein Zeitglied sein, mit dem wiederum die Schließzeit T zu bestimmen bzw. gegeben ist. Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, die Schließzeit T automatisch durch Auswerten des Ladestromverlaufes der Induktivität 14 zu steuern. Dies ist in Fig.3 gezeigt. Der Schalter 5 wird von einer Speicher-Flip-Flop-Schaltung 26 betätigt. Das Flip-Flop wird durch einen externen "Ein-"Impuls gesetzt. Dadurch wird der Schalter 5 geschlossen und es fließt durch die Induktivität 14 ein Strom I (t), der linear mit der Zeit t zunimmt (bis die Zeit T verstrichen ist). Der Strom I durch die Induktivität 14 wird mittels eines Stromfühlers 27 überwacht. Bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzstromes wird durch den Schwellenwertschalter 28 das Flip-Flop 26 zurückgesetzt. Der Schalter 5 öffnet und unterbricht damit den Strom I(t) bei t=T.

Mit der Erfindung werden eine Reihe von erheblichen Vorteilen erreicht. Zum einen ist die Anregeschaltung nach der Fig.2 und auch nach der Fig.3 wenig aufwendig zu realisieren. Die Anregeenergie W ist in weiten Grenzen unabhängig von der an die Anschlüsse 2 und 3 anzulegenden Betriebsspannung. Die Einschaltdauer T kann sich automatisch ergeben und bedarf keiner besonderen Maßnahme.

Die Anregung des Schallgebers 1 erfolgt mit hoher Anregespannung, ohne daß hierfür besonderer Aufwand zu treiben ist.

Weiterhin sind besonders wichtige Vorteile der Erfindung,

daß keine Störmoden in der Schwingungsanregung des Schallgebers 1 auftreten. Hochfrequente Störmoden werdenn deshalb nicht angeregt, weil die Spannungsänderung am Schallgeber 1 bei der Erfindung nicht schlagartig erfolgt. Wiederfrequente Störmoden werden nicht angeregt, weil innerhalb einer Schwingungsperiode eines niederfrequenten Schwingungsmode der elektrische Spannungsstoß durch einen jeweils weiteren Spannungsstoß mit entgegengesetzter Polarität kompensiert wird. Ein besonderer Abgleich ist für die Erfindung nicht erforderlich.

Vorteile ergeben sich aus der Erfindung sogar für eine Verwendung des Schallgebers 1 (auch) als Schallempfänger. Die Eigenkapazität C des Schallgebers 1 und die erfindungsgemäß vorgesehene Iduktivität L bilden einen Selektionskreis für den gewünschten Nutzmode der bei Empfang in dem Schallgeber zu erzeugenden mechanischen Empfangsschwingung.

Eine erfindungsgemäße Anregungsschaltung kann z.B. mit 12 Volt Gleichspannung an den Anschlüssen 2 und 3 betrieben werden. Die Fig.4 zeigt ein praktisches Schaltbild. In Fig.4 sind solche Schaltungsangaben enthalten die dem Fachmann in die Lage versetzen, ein Ausführungsbeispiel der Erfindung nachzuarbeiten.

Fig.5 zeigt die praktische Schaltung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei Fig.5 ebenfalls die für den Fachmann erforderlichen Datenangaben enthält. Um beim Durchschwingen der elektrischen Spannung am Schallgeber einen Kurzschluß der anliegenden Spannung an dem dann invers betriebenen Transistor T₁ zu vermeiden, erfolgt die Ankopplung an die Spule über eine Schaltdiode, z.B. BAW 76. Diese Diode entkoppelt bei negativen Spannungen den Schall-

geber vom Transistor T-.. Wit dieser dargestellten Anregeschaltung wird eine Spannung von 150 Volt am Schallgeber 1 erzeugt.

In Fig.5 ist noch ein Vorschaltkreis, bestehend aus einem Widerstand Ry und einer Kapazität C,,, für die Versorgungsspannung zwischen den Anschlüssen 2 und 3 angegeben. Dieser fakultativ zu verwendende Vorschaltkreis dient dazu, zu vermeiden, daß bei im Betrieb auftretendem Kurzschluß am Schallgeber 1 die Versorgungsspannung zwischen den Anschlüssen 2 und 3 durch die Induktivität 14 nicht kurzgeschlossen wird. Für die Kapazität C„ empfiehlt sich ein Wert von 2xW/U².

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Claims

Patentansprüche:

Anregeschaltung für piezoelektrischen Schallgeber,
der insbesondere für Ultraschall-Abstandsmessung bestimmt

ist, wobei diese Anregeschaltung mit elektrisch angeschlossenem Schallgeber (1) Anschlüsse (2,3) für eine Stromversorgung hat, der Schallgeber (1) in Reihe zu diesen Anschlüssen (2,3) liegt und parallel zum Schallgeber (1) ein Element (5) mit Schalterfunktion liegt, g e k e η η -

zeichnet dadurch, daß in die Reihenschaltung des

Schallgebers (1) eine Induktivität (14) in Reihe eingefügt ist und

daß diese Induktivität (14) und das Element (5) mit Schalterfunktion in Reihe zu den Anschlüssen (2,3) für die

Stromversorgung liegen.
2. Anregeschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß eine Schaltungseinrichtung (6) vorgesehen ist, mit der elektronische Betätigungssteuerung des

Elementes (5) mit Schalterfunktion erfolgt.
3. Anregeschaltung nach Anspruch 2, gekennzeichne t dadurch, daß die Schaltungseinrichtung (6) eine
Flip-Flop-Schaltung ist.
4. Anregeschaltung nach Anspruch 3, gekennzeichne t dadurch, daß die Flip-Flop-Schaltung von einem
Schwellenwertschalter (28) gesteuert ist, der auf Stromwert I anspricht.